普通立式铣床的数控改造毕业设计

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1、XA5032普通立式铣床的数控改造摘要数控机床是装备制造业的工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石，是保证高新技术产业发展和国防军工现代化的战略装备。在全球倡导绿色制造的大环境下，机床数控化改造成为了热点。它包括普通机床的数控化改造和数控机床的升级 本设计是对XA5032普通立式铣床进行数控化改造。为了实现把XA5032普通立式铣床改造成经济型数控铣床，我针对此铣床的主传动系统，X,Y,Z向进给系统进行数控改造，并增加了CNC装置和伺服系统。对主传动系统，我选用FANUC AC 电动机通过带传动驱动主轴。对进给系统，我把原先的滑动丝杠换成滚珠丝杠，以提高精度和效率，并由原先的手动控制，改造

2、成由电动机控制。通过变频器实现主轴传动和进给机构的无级变速。通过单片机的设计，构成控制系统。关键词：数控改造，滚珠丝杠，伺服系统ABSTRACTNC machine tools is the Machine Tools and equipment manufacturing, is to achieve manufacturing technology and the cornerstone of modern equipment is to ensure that high-tech industry development and national defense modernizatio

3、n of the military strategy and equipment. Green Manufacturing in the global advocacy of the environment, transformation of CNC machine tools to become a hot spot. It includes general of the CNC machine tools to transform and upgrade the CNC machine tools This design is XA5032 ordinary vertical milli

4、ng machine NC transformation. In order to achieve the XA5032 vertical milling machine into the general economy CNC milling machine, I am against this milling the main drive system, X, Y, Z to the feed system NC transformation, and to increase the CNC servo devices and systems. The main drive system,

5、 I choose FANUC AC motor drive through the belt drive spindle. The feed system, I replaced the original sliding screw ball screws, to improve accuracy and efficiency, and the original manual control, into the motor control. Converter to achieve through the main transmission and feed the CVT. SCM thr

6、ough the design of a control system. Key words: NC transformation, ball screw, Servo System 目录第一章 概论51.1 数控机床的组成51.2 机床数控化改造的意义61.3 机床数控化改造的必要性和迫切性7第二章 铣床机械结构的改造设计82.1 介绍82.1.1 数控铣床机械结构的主要特点82.1.2 数控铣床对机械结构的基本要求92.2 铣床主传动系统的数控化改造102.2.1 主传动系统的基本要求和变速方式102.2.2 XA5032型铣床数控化改造主轴系统的设计112.3 XA5032型铣床数控化改

7、造主轴系统计算设计122.3.1 主传动中同步带传动设计122.3.2 主轴的设计142.4 铣床进给传动系统的数控化改造182.4.1 数控铣床对进给传动系统的基本要求192.4.2 数控铣床的进给传动系统的基本型式192.4.3 数控改造铣床进给系统的型式及介绍212.4.4 数控改造铣床进给传动系统的计算设计222.5 主轴的驱动元件的选择27第三章 铣床的电气改造部分293.1 计算机数控装置293.2 单片机的设计313.2.1 单片机的介绍313.2.2 系统的扩展323.3 键盘363.4 步进电机控制电路设计373.4.1 脉冲当量和传动比的确定373.4.2 步进电机的选择及

8、其驱动方式383.5 光电隔离电路设计413.6 控制系统的软件设计423.6.1 步进电机控制程序设计423.6.2 LED动态显示接口程序设计44谢 辞46参靠文献：47第一章 概论 数控机床的组成如图1.1所示，数控机床由一下几个部分组成。1、程序编制及程序载体 数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置，即零件在机床上的安装位置；刀具与零件相对运动的尺寸参数；零件加工的工艺路线或加工顺序；主运动的起、停、换向、变速；进给运动的速度、位移大小等工艺参数，以及辅助装置的动作。得到零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息

9、后，用由文字、数字和符号组成的标准数控代码，按规定的方法和格式，编制零件加工的数控程序单。编好的数控程序，存放在便于输入到数控装置的一种存储载体上，它可以是穿孔纸带、磁带和磁盘等，采用哪一种存储载体，取决于数控装置的设计类型。2、输入装置 输入装置的作用是将程序载体（信息载体）上的数控代码传递并存入数控系统内。根据控制存储介质的不同，输入装置可以是光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。数控机床加工程序也可通过键盘用手工方式直接输入数控系统；数控加工程序还可由编程计算机用RS232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。 零件加工程序输入过程有两种不同的方式：一种是边读入边加工（数控系统内存较小时），

10、另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从內部存储器中逐段逐段调出进行加工。3、数控装置数控装置是数控机床的核心。数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。 零件的轮廓图形往往由直线、圆弧或其他非圆弧曲线组成，刀具在加工过程中必须按零件形状和尺寸的要求进行运动，即按图形轨迹移动。但输入的零件加工程序只能是各线段轨迹的起点和终点坐标值等数据，不能满足要求，因此要进行轨迹插补，也就是在线段的起点和终点坐标值之间进

11、行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，并向相应坐标输出脉冲信号，控制各坐标轴（即进给运动的各执行元件）的进给速度、进给方向和进给位移量等。4、辅助控制装置 辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运动，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启动停止，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作5、驱动装置和位置检测装置 驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动

12、机床移动部件，以加工出符合图样要求的零件。因此，它的伺服精度和动态响应性能是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构两大部分。目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。 位置检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置之后，数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按照指令设定值运动。由于可编程逻辑控制器（PLC）具有响应快，性能可靠，易于使用、编程和修改程序并可直接启动机床开关等特点，现已广泛用作数控机床的辅助控制装置。数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动

13、装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。但数控机床在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面都已发生了很大的变化。这种变化的目的是为了满足数控机床的要求和充分发挥数控机床的特点。 1.2 机床数控化改造的意义众所周知，制造业是国民经济的基础产业和支柱产业，是推动国家技术进步的主要力量。加入WTO之后，我国制造业正面临极大的考验和挑战。我国制造业水平与发达国家相比，总体水平偏低，这直接影响到我国工业产品质量的提高和制造成本的降低，影响到我国工业产品的国际市场竞争力。为改变这种落后状况，必须提高制造业的装备水平，特别是机床的数控化率。购置数

14、控机床是提高机床数控化率的途径；对旧机床进行数控化改造，也是提高机床数控化率的重要途径之一。我国机电行业（包括机械、电子、汽车、航空、航天、轻工、纺织、冶金、煤炭、邮电、船舶等）拥有的机床结构比较陈旧，操作系统复杂，控制系统落后，生产效率低下，如果靠购置新的数控机床取而代之，显然耗资巨大，不符合国情。因此，采用数控技术对现有机床进行改造，符合国家的产业政策。另外，从市场容量来讲，不管是汽车制造业、模具制造业，还是军工企业，机床数控化改造都蕴藏着无限商机。 近年来，美国、日本、德国、英国、等发达国家，在制造大量数控机床的同时，也非常重视对普通机床的数控化改造，机床的技术改造市场十分活跃。在美国，

15、机床改造业被称为机床再生业；在日本，机床改造业被称为机床改装业。机床改造业正逐步从机床制造业中分化处理，形成了用数控技术改造机床和生产线的新的行业和领域。1.3 机床数控化改造的必要性和迫切性从宏观上看，在20世纪70年代末、80年代初，工业发达国家的军、民机械工业，已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床，FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造，在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS等，以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（

16、称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军用品和民用品的市场上竞争了大为增强。而我国在信息技术改造传统产业方面比发达国家落后约20年。如在我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9%，而日本在1994年已达20.8%。随着我国现代化制造的不断推进，每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性和迫切性。从微观上看，数控机床本身是高科技产品，它比传统机床有很多突出的优越性，这些优越性的发挥，是数控机床的性能有了质的提高，打了推动了制造也的发展。传统机床经过改造后，得到了近似于数控机床的性能，也意味着我国制造业整体水平的提高。第二章 铣床机械结构的改造

17、设计2.1 介绍 根据我国国情，八十年代在普通机床的改造方面，出现了以经济型数控系统改造普通机床，尤其是普车、普铣数控化改造的热潮，并逐步形成了经济型数控产业。“八五”后期和“九五”，国家把旧设备的改造列入企业技术进步，工艺更新的一个重要途径，很多工厂把普通机床的数控化改造列入企业的发展计划，作为企业适应市场经济、提高产品市场占有率的一项措施。普通铣床的经济型数控化改造，除了选择可靠性高、性能稳定的数控系统外，对铣床自身的改造也是一个很重要的环节。普通铣床经济型数控化改造包括两个方面，即机床电气的数控化改造和机床本体的数控化改造。 数控铣床机械结构的主要特点数控铣床作为一种高速、高效和高精度的

18、自动化加工设备，由于其控制系统功能强大，使机床的性能得到大大提高。部分机械日趋简化，新的结构，功能不仅不断涌现，使得其机械结构和传统的机床相比，有了明显的改进和变化，主要体现在以下几个方面：1. 结构简单、操作方便、自动化程度高数控铣床需要根据数控系统的指令，自动完成对进给速度，主轴转速、刀具运动轨迹以及其它机床辅助机能（如：自动换刀、自动冷却等）的控制。它必须利用伺服进给系统代替普通机床的进给系统，并可以通过主轴调速系统实现主轴自动变速，因此在机械结构上，数控机床的主轴箱、进给变速箱结构一般都非常简单；齿轮、轴类零件、轴承的数量大为减少；电动机可以直接联接主轴和滚珠丝杠，不用齿轮。在使用直线

19、电动机、电主轴的场合，甚至可以不用丝杠、主轴箱。在操作上，它不像普通机床那样，需要操作者通过手柄进行调整和变速，操作结构比普通机床要简单得多，许多机床甚至没有手动机械操作机构。此外，由于数控机床的大部分辅助动作都可以通过数控系统的辅助机能，因此，常用的操作按钮也较普通机床少，操作更方便、更简单。2. 广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品数控铣床进行的是高速、高精度加工，在简化机械结构的同时，对于机械结构传动装置和元件在数控铣床上得到广泛的应用。如滚珠丝杠副、塑料滑动导轨、静压导轨、直线滚动导轨等高效执行部件，不仅可以减少进给系统的摩擦阻力，提高传动效率，而且还可以使运动平稳并获得较高的

20、定位精度。近年来，随着新材料、新工艺的普及、应用、高速加工已经成为目前数控铣床的发展方向之一。快进速度达到了每分钟数十米，甚至上百米。主轴转速达到了每分钟上万转，甚至十几万转，采用电主轴、直线电动机、直线滚动导轨新产品，新技术势在必行。3. 具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件“工艺复合化”和“功能集成化”是无人化，柔性化加工的基本要求，也是数控机床的最显著的特点和当前的发展方向。因此，自动换刀装置、动力刀架、自动排屑装置、自动润滑装置等特殊机械部件是必不可少的，有的机床还带有自动工作台交换装置（APC）。“功能集成化”是当前数控铣床的另一重要发展方向，随着数控铣床向无人化、柔性化加工发展，功

21、能集成化更多体现在工件的自动装卸、自动定位；刀具的自动对刀、破损检测、寿命管理；工件的自动测量与自动补偿等功能上。4. 对机械结构、零部件的要求高 高速、高效、高精度的加工要求，无人化的管理以及工艺复合化、功能集成化一方面可以大大提高生产率，同时，也必然会使机床的开机时间、工作负载随之增加，机床必须在高负载下，长时间可靠工作。因此，对组成机床的各种零部件和控制系统的可靠性要求很高。 数控铣床对机械结构的基本要求1. 具有较高的静、动刚度和良好的抗振性铣床的刚度反映了机床结构抵抗变形的能力。铣床变形所产生的误差，通常很难通过调整和补偿的办法予以解决。为了满足数控铣床高效，高精度、高可靠性以及自动

22、化的要求、与普通铣床相比，数控铣床应具有更高的静刚度。此外，为了充分发挥机床的效率，加大切削用量，还必须提高机床的抗振性，避免切削是的共振和颤振，而提高结构的动刚度是提高机床抗振性的基本途径。2. 具有良好的热稳定性铣床的热变形是影响铣床加工精度的主要因素之一。由于数控铣床的主轴转速、快进速度都远远高于普通铣床，机床又长时间处于连续工作状态，电动机、丝杠、轴承和导轨的发热都比较严重，加上高速切削产生的切屑影响，使得数控机床的热变形影响比普通铣床要严重的多，虽然在先进的数控系统中具有热变形补偿功能，但是它并不能完成消除热变形对于加工精度的影响。因此，在数控铣床上还应采取必要的措施，尽可能减少机床

23、的热变形。3. 具有较高的运动精度与良好的低速稳定性利用伺服系统代替普通铣床的进给系统是数控铣床的主要特点。伺服系统的最小移动量（脉冲当量），一般只有，甚至更小，最低进给速度，一般只有1mm/min，甚至更低，这就要求进给系统具有较高的运动精度，良好的跟踪性能低速稳定性，才能对数控系统的位置指令作出准确的响应，从而得到要求的定位精度。传动装置的间隙直接影响铣床的定位精度，虽然在数控中可以通过采取间隙补偿、单向定位等措施减小这一影响，但不能完全消除，特别是对于非均匀间隙，必须采用机械消除间隙措施，问题才能得到较好地解决。4. 具有良好的操作、安全防护性能方便、舒适的操作性能，是操作者普遍关心的问

24、题。在大部分数控铣床上，刀具和工件的装卸、刀具和夹具的调整等还需要操作者完成；机床的维修更不可能离开人。而且由于加工效率的提高，数控机床的工件装卸可能比普通机床更加频繁。因此，良好的操作性能是数控机床设计时必须考虑的问题。数控铣床是一种高度自动化的加工设备，动作复杂，高速运动部件较多，对机床动作互锁、安全防护性能等要求比普通铣床要高的多。同时，数控铣床一般都有高压、大流量的冷却系统，为了防止切屑，冷却液的飞溅，数控铣床通常都应采用封闭或半封闭的防护形式，增加防护性能。2.2 铣床主传动系统的数控化改造 主传动系统的基本要求和变速方式数控铣床和普通铣床一样，主传动系统也必须通过变速，才能使主轴获

25、得不同的转速，以适应不同的加工要求，在变速的同时，还要求传递一定的功率和足够的扭矩，满足切削的需要。数控铣床作为高度自动化的设备，它对主传动系统的基本要求如下：（1） 为了达到最佳切削效果，一般都应在最佳切削条件下工作，因此，主轴一般都要求能自动实现无级变速。（2） 要求机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的功率，以适应高速、高效的加工需要。（3） 为了降低噪声、减轻发热、减少振动，主传动系统应简化结构，减少传动件。（4） 在加工中心上，还必须具有安装刀具和刀具交换所需要的自动夹紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、机械手的正确啮合。（5） 为了扩大机床功能，实现对C轴位置

26、（主轴回转角度）的控制，主轴还需要安装位置检测装置，以便实现对主轴位置的控制。主传动的无级变速通常有以下三种方法：（1） 采用交流主轴驱动系统实现无级变速传动，在早期的控制机床或大型数控机床（主轴功率超过100kw）上，也有采用直流主轴驱动系统的情况。（2） 在经济型、普及型数控机床上，为了降低成本，可以采用变频器带变频电动机或普通交流电动机实现无级变速的方式。（3） 在高速加工机床上，广泛使用主轴和电动机一体化的新颖功能部件电主轴。电主轴的电动机转子和主轴一体，无需任何传动件，可以使主轴达到数万转，甚至十几万转的高速。但是，不管采用任何型式，数控机床的主传动系统结构都要比普通机床简单的多。

27、XA5032型铣床数控化改造主轴系统的设计1 主传动主传动由FANUC 8 AC驱动，经一对减速为1：2的齿形带轮和同步齿形带传到主轴（见图2.2）机床主轴电机7.5kw，交流变频调速，主轴具有恒转矩，恒功率调速特性及失速防止、过流、过载保护等功能。2 主轴箱主轴箱结构见图2.2，箱体材料为HT20-40铸铁件，主轴轴承采用前轴承轴向固定，后轴承可游动的支承方式，前轴承用两个角接触向心球D46118轴承，后轴承用一个深沟球E317轴承。主轴锥孔的锥度为NO3（7：24），用于安装铣夹头或钻夹头刀柄，并用二个端面键，传递铣削或钻削扭矩，铣夹头或钻夹头刀柄，用拉杆拉紧在主轴锥孔内。为保证主轴箱在伺

28、服电机断电后，不会因自重而下滑，在立柱内腔设有与主轴箱相连结的钢丝绳、滑轮、平衡块等组成的平衡装置。2.3 XA5032型铣床数控化改造主轴系统计算设计 主传动中同步带传动设计 （1）给出传动要求w 2）主动轴转速 n1=1500r/min；传动比 i=2； 3）中心距要求 300mm左右；w FANUC 8 AC； 5）动转时数 每天16小时； 6）其它 带轮直径不受限制；（2）选择带的型号和节距 1）计算设计功率Pd a.查书实用电子机械设计手册，由表6-61得载荷Ko=1.7，因未使用张紧轮，又是减速运动，故表的附加修正系数为零。 b.计算设计功率Pd=KoPmw 2）选择带的型号和节距

29、w和n1=1500r/min，从实用电子机械设计手册图6-9查得带的节距代号为H，对应的节距为Pb=（3）确定带轮直径和带节线长 1）确定带轮直径d由实用电子机械设计手册表6-69的：H型带，小带轮转速n1=1500r/min时，带轮最小许用齿数为Z1=18。取小带轮齿数Z1=24。传动比i=2，Z2=224=48小带轮直径为d1=PbZ1/大带轮直径为d2=PbZ2/ 2）选择带长Lp Lp=2acos+（d1+d2）/2+（d2-d1）/180 式中，=arcsin（d2-d1/2a。 所以Lp=592.096+457.19+15.765= 按表6-59取标准值Lp= 该带齿数为Zb=84

30、 3）传动中心距的计算 按近似公式计算：（284-24-48）/8= a=M+ （4）选择标准带宽 1）确定基准额定功率 小带轮齿数=24，转速=1500r/min，由表6-66内插法得H型带的基准额定功率 2）确定额定功率P a啮合齿数系数 啮合齿数，故 b带宽系数 （查表6-62） c额定功率P 3）选择带宽根据设计要求， 故带宽按表6-58选择带宽，（标准值） 4）工作能力验算a许用工作拉力有表6-61得b单位长度质量由表6-61得c带的圆周速度 d工作能力验算 （5）额定功率大于设计功率，故带的传动能力足够 结果整理 1）带选用H型同步带 2) 带轮 3）传动中心距 主轴的设计（1）初

31、步估算轴的直径选取轴的材料为调质处理，由式得， ，取同步齿形带作用在主轴上的力为：主轴上转距为： 圆周力径向力（2）轴的结构设计确定各轴段直径和长度段 ，由螺母（GB812-88）厚度定， 段 为固定螺母，由同步带大带轮段 为固定轴承，由套筒长度得段 ，由轴承长度， 段 参考原主轴，（3） 绘制轴的弯矩图和扭矩图L1=100mm，L2=189mm，L3=208mmH水平面，V垂直面，求弯矩H水平面， V垂直面，合成弯矩M明显判断出C点为危险截面，所以扭矩T弯矩图、扭矩图见下图（4）按弯矩合成强度校核轴的强度当量弯矩轴的材料为调质处理，查表得根据计算结果可知，该轴满足强度要求。（5）精确校核轴的

32、疲劳强度 1）判断危险截面危险截面应该是应力较大，同时应力集中较严重的截面。从受载情况观察，两角接触轴承中心虽最大，但应力集中不大，而且这是轴径较大，故不是危险截面，危险截面在前端轴承左侧，该截面较大，应力较集中。2）计算危险截面应力截面右侧弯矩为截面上的扭矩T为：抗弯截面系数： 抗扭截面系数： 截面上的弯曲应力： 截面上的扭转剪应力： 弯曲应力幅：弯曲平均应力：扭转剪应力的应力幅与平均应力相等，即3）确定影响系数轴的材料为调质处理，查表得轴肩圆角处的有效应力集中系数、 取由上面结果可得值：由，可知该轴安全。2.4 铣床进给传动系统的数控化改造数控铣床的进给传动系统常用伺服进给系统来工作，伺服

33、进给系统的作用是根据数控系统传来的指令信息，进行放大以后控制执行部件的运动，不仅控制进给运动的速度，同时还要精确控制刀具相对于工作的移动位置和轨迹，因此，数控铣床进给系统，尤其是轮廓控制系统，必须对经运动的位置和运动的速度两方面实现自动控制。一个典型的数控铣床闭环控制的进给系统，通常有位置比较、放大元件、驱动单元、机械传动装置和检测反馈元件等几部分组成，而其中的机械传动装置是位置控制环中的一个重要环节。这里所说的机械传动装置，是指将驱动源旋动运动变为工作台直线运动的整个机械传动链，包括减速装置、丝杠螺母副等中间传动机构。 数控铣床对进给传动系统的基本要求传动系统的刚度和惯量主要决定于机械结构设

34、计，而传动系统的间隙、摩擦死区则是造成传动系统非线性的主要原因。因此，数控铣床对机械传动系统的要求可以概况如下：1. 提高传动部件的刚度一般来说，数控铣床直线运动的定位精度和分辨率都要达到微米级，回转运动的定位精度和分辨率都要达到角秒级，伺服电动机的驱动力矩（特别是起动、制动是的力矩）也很大。如果传动部件的刚度不足，必然会使出阿杜部件产生弹性变形，影响系统的定位精度、动态稳定性和响应快速性。加打滚珠丝杠的直径，对滚珠丝杠螺母副、支承部件进行预紧，对滚珠丝杠进行预拉伸等，都是提高传动系统刚度的有效措施。2. 减小传动部件的惯量在驱动电动机一定是，传动部件的惯量直接决定了进给系统的加速度，它是影响

35、进给系统快速性的主要因素。特别是在高速加工的数控机床上，由于对进给系统的加速度要求高，因此，在满足系统强度和刚度的前提下，应尽可能减小零部件的质量、直径，以降低惯量，提高快速性。3. 减小系统的摩擦阻力进给系统的的摩擦阻力一方面会降低传动效率，产生发热，另一方面，它还直接影响系统的快速性；此外，由于摩擦力的存在，动、静摩擦系数的编号，将导致传动配件的弹性变形，产生非线性的摩擦死区，影响系统的定位精度和闭环系统的动态稳定性。采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、直线滚动导轨、静压导轨和塑型导轨等高效执行部件，可以减少系统的摩擦阻力，提高运动精度，避免低速爬行。 数控铣床的进给传动系统的基本型式数控

36、机床的进给运动可以分为直线运动和圆周运动两大类。直线进给运动包括机床的基本坐标轴（X、Y、Z轴）以及和基本坐标轴平行的坐标轴（U、V、W等）的运动；圆周进给运动是指绕基本坐标轴X、Y、Z回转的坐标运动。1. 滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠螺母副具有以下特点；（1）摩擦损失小，传动效率高；（2）丝杠螺母之间预紧后，可以消除间隙，提高了传动刚度；（3）摩擦阻力小，而且它几乎与运动速度无关，动、静摩擦力的变化也很小，不易产生低速爬行现象；（4）长期工作磨损小，使用寿命厂，精度保持性好。因此，在数控铣床上得到了广泛应用，是目前中，小型数控机床最为常见的传动型式。 但由于它有运动的可逆性，即一方面能将旋转运动

37、转换为直线运动，反过来也能将直线运动转换为旋转运动，不能实现自锁。当一在垂直传动或水平放置的高速大惯量传动中心必须装有制动装置，使用具有装置的伺服驱动电动机是最简单的方法。另外，为了防止安装、使用是螺母脱离丝杠，在机床上还必须配置超程保护装置，这一点对于高速加工数控机床来说尤为重要。 2. 静压丝杠螺母副静压丝杠螺母副是通过油压在丝杠和螺母的接触面之间，产生一层保持一定厚度，且具有一定刚度的压力油膜，使丝杠和螺母之间有边界摩擦变为液体摩擦。当丝杠转到是通过油膜推动螺母直线移动，反之，螺母转动也可使丝杠直线移动。静压丝杠螺母的特点是：（1）摩擦系数小，仅为0.0005，比滚珠丝杠（摩擦系数为0.

38、0020.005）的摩擦损失更小，因此，其起动力矩很小，传动灵敏，避免了爬行。（2）油膜层可以吸振，提高了运动的平稳性。（3）由于油液的不断运动，有利于散热和减少热变形，提高了机床的精度和光洁度。（4）油膜成具有一定刚度，减小了反向间隙。（5）油膜层介于螺母与丝杠之间，对丝杠的误差有“均化”作用，即可以使丝杠的传动误差小于丝杠本身的制造误差。（6）承载能力与供油压力成正比，与转速无关，但静压丝杠螺母副应有一套供油系统，而且对油的清洁度要求高，如果在运动中供油忽然中断，将造成股良后果。3. 静压蜗杆蜗条副和齿轮齿条副大型数控机床不宜采用丝杠传动，因长丝杠制造困难，且容易弯曲下垂，影响传动精度；同

39、时轴向刚度与扭转刚度也难提高，如果加大丝杠直径，则转动惯量增大，伺服系统的动态特性不易保证，故常用静压蜗杆蜗条副和齿轮齿条副传动。静压蜗杆蜗条副的工作原来与静压丝杠螺母相同，蜗条实质上是螺母的一部分，蜗杆相当于一根短丝杠，这种传动机构，压力油必须从蜗杆进入静压油腔，加上蜗杆是旋转的，与蜗条的接触区只有120。左右，要使压力油只能进入接触区，必须解决蜗杆的配油问题。齿轮齿条副传动用于行程较长的大型机床上，可以得到较大的传动比，进行高速直线运动，刚度及机械效率也高。但其传动不够平稳，传动精度不高，而且还不能自锁。采用齿轮齿条副运动是，必须采取措施消除齿侧间隙，当传动负载小是也可采用双片薄齿轮调整法

40、，分别与齿条齿槽的左、右两侧贴紧，从而消除齿侧间隙。当传动负载大时，可采用双厚齿轮传动结构。4. 直流电动机直接驱动直流电动机是近年来发展起来的高速、高精度数控机床最有代表性的先进技术之一。利用直流电动机驱动，可以完全取消传动系统中将旋转运动变为直线运动的环节，大大简化机械传动系统的结构，实现所谓的“零传动”。它从根本上消除传动环节对精度、刚度、快速性和稳定性的影响，故可以获得比传统进给驱动系统更高的定位精度，快进速度和加速度。 数控改造铣床进给系统的型式及介绍XA5032型铣床数控化改造进给系统，X、Y、Z三轴在满足传递扭矩的前提下采用FANUC 20M 直流伺服电机并配有直流功能驱动系统，

41、提高了驱动性能。步进电机通过精密膜片抗绕性联轴器与滚珠丝杠直接相连，提高了传动精度，效率较高，其中Z向通过圆锥齿轮转换成垂直方向的传动，其构型式如下图所示X、Y、Z三轴采用帖塑导轨，静，动摩擦系统变化小，快速移动响应快，振动小，低速移动是无爬行，稳定性好。 X、Y向进给传动图 Z向进给传动图 数控改造铣床进给传动系统的计算设计 （1）纵向滚珠丝杠螺母副设计 用于计算的下列数据是已知的： 工作台质量：，最大加工受力： 快进速度： 工进速度： 最大加速度： 工作台导轨摩擦力： 工作进程： 轴承轴向刚度：，丝杠螺母刚度： 螺母支座刚度：丝杠传动效率： 丝杠长度： 丝杠轴承、丝杠螺母摩擦力距： 轴承平

42、均间距：导程： 确定最大转速的常熟： 轴承支承方式：双推双推 伺服电机转子惯量： 钢的密度： 1）丝杠螺母静态设计 确定动载荷，工作循环周期有加速时间和加工时间组成，计算如下： 在减速期间的平均转速为： = 工作进给时转速为： 将上述数据带如式可得当量转速： 载荷系数由现代数控机床表5-131取 当量载荷由式计算： 将已知条件、和计算出： 代入上式，得 取滚珠丝杠寿命为20000h，从式算出该滚珠丝杠的动载荷： 确定静载荷 最大轴向力可近似取最大加工受力，即 由现代数控机床表5-14取静态安全系数，根据式，可得 式中最大轴向力，静态安全系数，取1 根据压力选取丝杠直径。由式可得 由 查表5-1

43、5得： 代入上式得 故取： 转速限制 最大转矩限制：由式得： 由 和得 临界转速限制：由式得： 由 得： 选择丝杠直径：由上面计算结果得： 2）丝杠螺母动态设计 确定丝杠螺母传动的总刚度 扭转刚度：由式可得对于刚的抗扭刚度量纲公式 由丝杠扭转刚度折算成工作台直线刚度公式可得 拉压刚度：由钢的拉压刚度量纲公式可得 设螺母位于丝杠中间，于是 系统的总刚度为： 系统总刚度： 确定机械谐振频率 故 确定具有满意动态性能的丝杠直径，电气驱动部件的谐振频率取下列值，则其动态性能较好，即取 采用常规的比列位置调节，为使机械传动部件的动态性能不影响系统总的动态性能，应当使 但是这里选择的丝杠直径，只能得到 因

44、此，丝杠直径应该更大一些。 若取代入得 将此总刚度代入 、和为已知常数，在由 得方程 得 由此可知，选用，该丝杠名义直径30mm， 螺距6mm。该丝杠满足设计要求。 （2）横向滚珠丝杠螺母副设计 横向滚珠丝杠长度要求为：354mm 同纵向滚珠丝杠螺母副设计得知，足够满足要求，故选用。 （3）Z向滚珠丝杠螺母副设计 Z向滚珠丝杠长度要求为：469mm，同纵向滚珠丝杠螺母副设计得知，海雄联精密配件滚珠丝杠副的产品，可采用CDM3206-5型滚珠丝杠副，滚珠丝杠的直径为32mm，基本导程为6mm，满足要求。2.5 主轴的驱动元件的选择直流主轴伺服电机与交流主轴伺服电机的特性曲线类似。在基本速度以下为

45、恒转矩区域，而在基本速度以上为恒功率区域。但有些电机，当电机速度超过某一定值之后，其功率-速度曲线又往下倾斜，不能保持恒功率。对于一般主轴电机，这个恒功率的速度范围只有1：3的速比。XA5032型普通铣床，主轴系统是由，转速为1440r/min电动机驱动，根据传动要求，选择FANUC 8 DC主轴电动机，连续额定输出，基本转速1500r/min，最高速度5000r/min，输出转矩（在恒转矩范围内连续额定输出转矩），满足驱动要求。直流私服电机为直流供电，为调节电动机的转速与方向，需要对其直流电压的大小和方向进行控制。目前常用晶体管脉宽调制驱动和晶闸管直流调速驱动两种方式。脉宽调制 （PWM）直

46、流调速驱动系统原理，当输入一个直流控制电压U时就可以得到一定宽度与U成比例的脉冲方波给伺服电机电枢回路供电，通过改变脉冲宽度来改变电枢回路的平均电压，从而得到不同大小的电压值，使直流电机平滑调速。为使电动机实现双向调速，多采用下列图所示桥式电路，其工作原理与线性放大桥式电路相似。电桥由四个大功率晶体管VT1至VT4组成。如果VT1和VT3的基极上加以正脉冲的同时，在VT2和VT4的基极上加以负脉冲，这时VT1和VT3导通，VT2和VT4截止，电流沿+80V至C至VT1至D至M至B至VT3至A至0V的道路流通，设此时的电动机的转向为正向。反之，如果在晶体管VT1和VT3的基极上加以负脉冲的同时，

47、在VT2和VT4的基极上加以正脉冲，这时VT2和VT4导通，VT1和VT3截止，电流沿+80V至C至VT2至B至M至D至VT4至A至0V的道路流通，电流的方向与前一种相反，电动机反向旋转。显然，如果改变加到VT1和VT3，VT2和VT4这两组管子基极上控制脉冲的正负和导通率，就可以改变电动机的转向和转速。第三章 铣床的电气改造部分3.1 计算机数控装置EIA（美国电子工业协会）所属的数控标准化委员会的定义：“CNC是用一个存储程序的计算机，按照存储在计算机内的读写存储器中的控制程序去执行数控装置的部分或全部功能，在计算机之外的唯一装置是接口”。ISO（国际标准化组织）的定义：“数控系统是一种控

48、制系统，它自动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床移动和加工零件”。数控系统分轮廓控制和点位控制系统。数控系统的核心是完成数字信息运算、处理和控制的计算机，即数字控制装置。数控装置有两种类型：一是完全由硬件逻辑电路构成的专用硬件数控装置，即NC装置，NC装置是数控技术发展早期普遍采用的数控装置；二是由计算机硬件和软件组成的计算机数控装置，即CNC装置，它是由硬件和软件共同完成或是在硬件的支持下由软件单独实现全部数控功能。CNC装置具有良好的柔性，它在软件的作用下，可以实现各种NC装置所不能完成的功能，如图形显示、系统诊断、各种复杂的轨迹控制、通信及网络功能等。从自动控制的角度来

49、看，CNC系统是一种位置（轨迹）、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量、速度为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。硬件是基础，软件是灵魂。现在NC装置已基本上被CNC装置所取代。1 CNC装置的组成和工作原理该平台有以下两方面的含义：提供CNC系统基本配置的必备功能；在平台上可以根据用户的要求进行功能设计和开发。工作原理：通过各种输入方式，接受机床加工零件的各种数据信息，经过CNC装置译码，再进行计算机的处理、运算，然后将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动。并进行实时位

50、置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。简要工作过程：工作过程就是指在硬件的支持下，软件完成控制功能的过程。包括：（1）加工程序的输入输入CNC装置的有零件程序、控制参数和补偿量等数据。输入的形式有光电阅读机输入、键盘输入、磁盘输入、连接上级计算机的DNC接口输入、网络输入。从CNC装置工作方式看，有存储工作方式输入和手工直接输入（MDI）工作方式。CNC在输入过程中通常还要完成无效码删除、代码校验和代码转换等工作。这就是书上所概括的“通过输入接口将加工程序读入系统，并在同时进行代码的整理、校验和转换”。 （2）译码不论系统工作在MDI方式还是存储器方式，都是将零件程序以一个程序段为

51、单位进行处理，把其中的各种零件轮廓信息（如起点、终点、直线或圆弧等）、加工速度信息（F代码）和其他辅助信息（M、S、T代码等）按照一定的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用单元。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误便立即报警。（3）刀具补偿 刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。通常CNC的零件程序是以零件的轮廓轨迹来编程的，刀具补偿的作用就是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。目前在比较好的CNC中，刀具补偿的工作还包括程序段之间的自动转接和过切削判别，这就是所谓的C刀具补偿。我们的教材上是怎么样概括的呢？“利用一定的数学算法将零

52、件轮廓轨迹换成刀具中心轨迹”。 （4）对进给速度进行处理 编程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向上的速度。所谓的速度处理，首先要做的工作就是按编程所给的合成进给速度计算出各坐标轴方向运动的分速度。另外还要对机床允许的最低速度和最高速度的限制进行判别并处理。在有些CNC装置中，软件自动加减速也是在这里处理的。 （5）插补所谓的插补就是根据加工程序中给出的零件基本几何形状和相关的设计工艺方面的信息，在已知的这些特征点之间插入一些中间点的过程。我们知道，一条曲线是由无数个点组成的，插补的任务呢就是在一条给定起点和终点的曲线上按要求密化构成这条曲线的数据点，即所谓的进行“数据点的密化”。 （6）

53、位置处理位置控制处在伺服回路的位置环上，这部分的工作可以由软件实现，也可以由硬件完成。它的主要任务就是在每个采样周期内，将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制伺服电动机。在位置控制中，通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标轴方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。 （7）/处理/处理主要是处理CNC装置面板开关信号，机床电气信号的输入、输出和控制（如换刀、换挡、冷却等），也就是书上所说的“强电信号的输入输出和控制”。 3.2 单片机的设计 单片机的介绍MCS-51系列单片机的所有产品都含有8051除程序存贮器外的基本硬件，都是在8051的基本上改变部分资源（程

54、序存贮器、数据存贮器、I/O口、定时/计数器及一些其他特殊部件）。在控制系统设计中，我们采用的是8031，8031可寻址64KB字节程序存贮器和64KB字节数据存贮器。内部没有程序存贮器，必须外接EPROM程序存贮器。8031采用40条引脚的双列直插式封装（DIP），引脚和功能分为三部分。8031内部不带ROM，需外接ERPOM作为外部程序存储器。又因为8031在外接程序存储器或数据存储器时地址的低8位信息及数据信息分时送出，故还需要采用一片74LS373来锁存低8位地址信息。这样，一片，EPROM2764及一片74LS373组成了一个最小的计算机系统。MCS-51的程序存储器空间与数据存储器

55、空间是相互独立的。用户可最多扩展到64K字节的程序存储器及64K字节的数据存储器，编址均为0000H-FFFFH。片内8K字节单元地址要求地址线13根。它由和组成。地址锁存器的锁存信号为ALE，程序存储器的取指令信号为。8031芯片本身的连接除必须接地来表明选择外部存储器处，还必须有复位及时钟电路。在此系统中有、口可作为口使用。74LS373为地址锁存器，其结构如上图所示。当8031在访问外部程序存储器时，口输出高8位场地址，口分时传送低8位地址和指令字节。在ALE为高电平时，口输出的地址有效，并由ALE的下降沿锁存到地址锁存器中，此时外部程序存储器选通信号线出现低电平，选通相应的外部EPRO

56、M存储器：相应的指令字节出现在EPROM的数据线上，输入到口，CPU将指令字节读入指令寄存器。 系统的扩展在以8031单片机为核心的控制系统中必须扩展程序存贮器，用以存放控制程序。同时，单片机内部的存贮器容量较小，不能满足实际需要，还要扩展数据存贮器。（1） 程序存贮器的扩展根据程序存贮器扩展的原理，以EPROM2764A和锁存器74LS373为例对8031单片机进行程序存贮器的扩展。因为2764A是8KB容量的EPROM，故用到了13根地址线，A0-A12。如果只扩展一片程序存贮器EPROM，故可将片选端CE直接接地。下图为扩展两片EPROM的连接方法。同时，8031运行所需的程序指令来自2

57、764A，要把其EA端接地，否则，8031将不会运行。(2)数据存贮器的扩展8031单片机内部有128个字节RAM存贮器。CPU对内部的RAM具有丰富的的操作指令。但在用于数据采集和处理时，仅靠片内提供的128个字节的数据存贮器是远远不够的。在这种情况下，可利用MCS-51的扩展功能，扩展外部数据存贮器。数据存贮器只使用WR、RD控制线而不用PSEN。正因为如此，数据存贮器与程序存贮器可完全重叠，均为0000H-FFFFH，但数据存贮器与I/O口与外围设备是统一遍址的，即任何扩展的I/O口以及外围设备均占用数据存贮器地址。8031的P0口为RAM的复用地址/数据线，P2口用于对RAM进行页面寻址（根据其容量不同，所占的P2端口不同，在对外部RAM读/写期间，CPU产生RD/WR信号。下图是6264与8031的连接图。从图中知：6264